現代機械設計方法研究及其創新*

陳 彤

(浙江省工業設計研究院，浙江杭州 310051)

0 引言

在科技高度發展的今天，人們的想法、需求層出不窮，對設計方法和實現工藝的要求也在不斷提高。機械設計人員除了對機械設計原理具有扎實基礎外，在思維方式上要開闊，在設計理念上要創新，在結構設計上與產品功能相輔相成，在實現手段上與計算機輔助設計高度融合，不斷設計出讓人們滿意的產品。機械設計作為一門傳統學科，在第三次工業革命，有些行業已經進入第四次工業革命之際，如何不斷與先進的科學技術相結合，短時、高效、完美、保質的完成機械設計工作，是值得研究的課題。本文對現代機械設計的理論進行了探討，分析了機械設計的方法與過程，對現代機械設計的創新方法進行了研究。

1 現代機械設計理論

相比傳統機械設計的經驗的、靜態的、手工的、被動的設計產品，現代機械設計更多的注重于主動的、動態的、計算機化的、科學的、設計產品。現代機械設計理論是在機械設計理論科學的基礎上形成的，涵蓋了更多的智能、信息、控制、離散、優化、藝術等范疇的內容，尤其是對于復雜的產品［1］，現代機械設計更能凸顯它的優勢。比如控制論方法中的探索動態分析法，比如離散論方法中的有限元方法和邊界方法，比如藝術論方法中的研究藝術造型和審美，等等，通過這些現代的方法，能給設計出使人更加滿意的產品。現代機械設計既源于傳統機械設計，又高于機械設計，完成一個完美的機械產品設計，既需要傳統機械設計的經驗，也需要現代機械設計先進科學的設計方法。

2 機械設計方法原則與過程

機械設計一般可以劃分為四個步驟，如圖1所示，包括項目設計前期、方案設計、技術設計、施工設計［2］。

圖1 機械設計步驟

項目設計前期工作包括要進行實地調研，進行可行性研究，制定可行性計劃［3］;方案設計包括對功能的總體分析、功能分解組合、系統原理解、實驗、確定最佳方案;技術設計包含總體設計、結構設計、實驗、選型設計等;施工設計包括畫零件圖、畫裝配圖、編寫技術文件、試制、生產等。

機械設計的每一個環節都可以充分發揮人們的能力，利用科學技術進行創新設計。

3 機械設計方法創新

機械創新設計首先要發揮人的主觀能動性、人的想象力、人的創造力，在機械設計過程中，通過運用現代的機械設計方法和輔助工具進行機械產品的設計，其設計模式應該使用現代的科學思維方式來思考分析，其設計過程應該利用現代科學的方法和工具來實現，其設計應該具有創造性和新穎性，尤其在新產品的設計和開發中，創新應更加凸顯。創新設計應該是機械設計領域的專業知識、設計經驗，在設計過程中對產品具有價值的、創造性的設計思想，要由人的主觀能動性、創造性思維，實時有機的融入到設計中去，實現重構、聯想、疊加、歸納綜合、抽象推理，從而形成新的設計思維模式。

現代機械設計的創新涵蓋兩個方面:一個是通過創新使生產生活中現有的產品具有更佳的技術性、更高的可靠性、更廣的適用性和更多的經濟性，從多個方面，從人們使用的角度出發創新設計更符合人類使用的產品。另外一個是通過創新設計出新的機械產品，以滿足人們的生產生活需要［4］。這兩個方面的創新都離不開創新的思維模式，科學的設計技術，現代的設計工具。

3．1 機械創新設計步驟

機械創新設計步驟有四步:第一步是研究機械產品的工作原理本質;第二步是對產品結構進行分析，對其類型進行綜合;第三步是對機械產品的運動機理、尺度及參數進行優選;第四步是綜合分析和調優。機械創新設計步驟的具體內容如圖2，機械創新設計具體過程。

圖2 機械創新設計具體過程

3．2 機械創新設計分類

機械創新設計技術，除了基礎的機械設計科學基礎，還包括機械系統設計(Mechanical System Design)、計算機輔助設計(Computer Aided Design)、可靠性設計(Reliability Design)、有限元設計(Finite element design)、反求設計(Reverse Design)、優化設計(Optimal design)、變形設計(Variant Design)、并行設計(Concurrent Design)等［5］。

3．2．1 計算機設計

(1)計算機輔助設計 現代機械設計與計算機密不可分，計算機技術可以使機械設計、工程設計變得高效、規范、準確。計算機輔助設計(Computer Aided Design，簡稱CAD)，是現代機械設計的主要計算機工具，利用其建模技術、圖形處理技術、工程分析方法等功能實現機械的系統設計。利用CAD，要把機械設計的物理問題模型轉化為數學模型，采用數學知識借助計算機求解數學模型，從而得到設計方案。

(2)有限元分析方法 有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)，是一種利用數學近似的方法對現實世界中真實的物理系統進行模擬的一種機械設計工具。FEA利用有限數量的相互作用的元素，即已知量來探求無限的未知量的一種系統。由于是簡單問題代替復雜的實際問題，因此，求解的未知量只能是無限逼近的近似值。現實世界中的問題多為復雜的難以求取準確結果的實際問題，而有限元計算精度高，所以可以充分應對復雜的實際問題，因此是受到設計者喜愛的機械工程分析設計工具。

計算機技術的快速發展，使得有限元分析技術也從單一的結構分析延伸發展為多領域多學科的適用面廣的數值分析法、強度分析法和靜力分析。這對于機械設計創新來時，無疑是一種莫大的幫助。

3．2．2 優化設計

優化設計(optimization design)是在數學規劃理論和計算機的基礎上，在相關約束下，尋求最優方案以滿足設計目標的一種創新設計方法［6］。優化設計運用計算機技術計算數學函數以求取最優，尋求最優的過程中融入了最優化方法、優化策略，分線性和非線性進行逐步逼近，最終求的最優設計。另外，優化設計還可以與模糊設計相結合，形成功能更加強大的模糊優化設計。

我國的有些設計領域已經開始應用優化設計方法進行設計，但在機械設計行業仍然是一個發展、探索和創新的方向。

3．2．3 可靠性設計

機械的可靠性設計是機械設計工程師長期追求的目標，可靠性是衡量產品質量的一種重要指標。可靠性設計與常規設計相對應，常規設計多憑借經驗進行設計，可靠性設計是常規設計的延伸，更科學的分析和設計變量之間的關系［7］。機械可靠性設計是多學科的融合，涉及數學中的數理統計、概率論，物理中的失效物理學等。常規設計中涉及很多變量，比如應力、載荷、強度、壽命、可靠度、維修率等。將常規設計中的變量作為隨機變量，遵循某種分布規律，用概率統計方法進行機械產品設計，以滿足可靠性要求。

產品質量與可靠性息息相關，隨著科學技術迅猛發展，人們對機械產品和設備的可靠性要求也愈加嚴格。因此，研究機械可靠性設計是十分必要的，在可靠性上尋求創新也是機械設計人員的首要任務。

3．2．4 變形設計

變形設計是在原機械產品基礎上進行標準化、系列化的設計，以滿足使用者的多種需求。對產品原理、功能和結構進行研究，進行功能擴展，設計橫向的系列產品。另外，也可進行跨系列產品的設計，是產品具有更好的動力，這也是一種變形設計。歸根結底是要設計出更加完美、完善的產品。

3．2．5 并行設計

傳統機械設計是串行設計方法，該方法的弊端是環環相扣，周期長，成本高。并行設計又叫同步工程、集成工程，顧名思義，并行設計是一種集成化的、系統化的設計方法，同樣也是以工程數學和計算機為基礎，打破傳統的系統內部的機構、單元和過程，建立協同的模式進行設計，實現機械設計制造一體化，充分考慮質量、周期和成本的多重因素的一種設計方法。因此，并行設計是一種集成的設計方法。

3．2．6 反求設計

反求設計是在已有產品的基礎上進行分析和研究，從其功能原理和部件的設計關鍵技術中進行改進、創新或是探求新的設計和實現思路［8］。反求設計方法目前是很多發達國家發展科學技術、開發新產品的研究設計方法之一。反求設計要解決的關鍵技術包括以下方面。

(1)探索更實用的測試測量方法，研制更實用的設備，以提高測量精度和準度。

(2)利用三維重構方法軟件，提高設計計算精度，減小不必要誤差。

(3)融合工程數學、人工智能等，形成自己的一套設計還原技術，完成對原有設計的反求。

(4)研究適合反求設計的產品模型技術，將配套產品建立模型，以便于原始參數的反求還原。

(5)對產品設計精度進行功能分析，設計實現原有還原的軟件工具。

目前，國內還有另外一種現代機械設計方法劃分，具體如下。

(1)系統化設計，尋找完成設計的產品的組成要素和各要素之間的關系，將要素結合，從而完成設計，比如:元素設計法、圖形結合建模法、矩陣設計法等。

(2)結構模塊化設計方法，即將設計按照產品結構進行分解細化，分別進行設計，在早期規劃階段就可以將設計中可能存在的問題和矛盾及時發現，具有一定的預測能力和節約成本效果，能高效的協調解決設計過程中的問題，因此具有較高的設計效率和可靠性。

(3)基于產品特征的設計方法，利用計算機語言描述產品特征，采用專家經驗，建立產品相關的知識庫和推理機制，利用計算機進行輔助設計，實現產品的方案設計。一般有編碼法、目錄法、實例法。

(4)智能化設計方法，以力學理論知識為基礎，借助于ANSYS、有限元等三維設計軟件進行虛擬的智能的設計，然后用多媒體甚至是超媒體進行結構設計。

總之，這些現代機械設計方法都是機械設計者的進行創新設計的好幫手，創新設計是機械人員不懈努力的方向。

4 結語

本文對現代機械設計的理論進行了探討，對機械設計尤其是工業設計中的設計方法進行了分析，分析了現代機械設計的方法與過程，對現代機械設計的創新點和創新方法進行了研究。

綜上所述，現代機械設計比傳統機械設計在系統結構、實現過程等多方面都具有明顯優勢，現代機械設計與多學科科學技術的完美結合，為機械設計實現創新奠定了堅實基礎。創新首先要以人的主觀能動性為基礎，機械設計人員要以創新性思維進行產品需求分析和設計，同時還要對現代機械設計工具使用嫻熟，才能設計出使大家滿意的質量更好、性能更優、可靠性更好機械產品。

［1］ 李 芬．機械設計技術的發展趨勢［J］．才智，2011(17):49．

［2］ 田 夢．數據庫技術創新推動行業創新［N］．計算機世界，2009－07－06．

［3］ 盛伯浩，陳宗舜．機械產品設計與 CAD［M］．清華大學出版社，2005．

［4］ 陳 屹，謝 華．現代設計方法及其應用［M］．北京:國防工業出版社，2004．

［5］ Saeed Moaveni［US］．Finite Element Analysis Theory and Application－ANSYSsecond edition［M］．Electronic Industry Press，2005．

［6］ 白 柳．淺談機械創新設計中的反求設計［J］．山西冶金，2009(6):59－61．

［7］ 魏玉新．現代機械設計的創新方法研究［J］．裝備制造，2009(5):173－174．

［8］ 楊宗德．創新設計過程中的創新思維方法［J］．機械研究與應用，2001(8):52－54．